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Überspannungsschutzeinrichtung Die Erfindung besteht in Neuerungen
an einem Kondensatorblitzableiter, bei dem ein Kondensator und ein Blitzableiter
zu einer Vorrichtung vereinigt sind.
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Dieser Ableiter ist ein Luftfunkenstrecken-Kondensator mit gleichförmigem
Feld, der eben ist und im Verein mit der großen Elektrodenoberfläche eine wesentliche
Lichtbogenabkühlung .durch augenblickliche Vergrößerung seines Querschnittes infolge
der Entladung der plattenförmigen Kondensatorelemente sichern soll.
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In der Praxis hat sich aber diese Anordnung als ungenügend zum einwandfreien
Löschen der zu Beginn ihres Arbeitens sich bildenden Lichtbögen erwiesen. Die Herstellung
großer Kondensatorplatten ist überdies mit Schwierigkeiten verbunden. Es ergab sich
auch die Notwendigkeit, bei dieser Anordnung die Selbstinduktion heranzuziehen,
um einen ausreichenden Schutz gegen Wanderwellen mit steiler Stirn zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung wird .die Vorrichtung durch Einbeziehung einer
oder mehrerer Selbstinduktionsspulen derart ausgestaltet, daß der durch Überspannung
verursachte Lichtbogen rasch und zuverlässig gelöscht wird.
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Dadurch. ferner, .daß gemäß der Erfindung die Selbstinduktion in die
Vorrichtung, welche einander umgebende, rohrförmige Elektroden und entsprechende
isolierende Zwischenwände aufweist, einbezogen wird, wird einesteils deren Wirkung
als Kondensator verstärkt und andernteils deren Wirkung als Blitzableiter verbessert
und das Löschen des Lichtbogens in zuverlässiger Weise gesichert. Die Zwischenwände
. sind hierbei mit einer oder mehreren Öffnungen (Ausnehmungen oder Bohrungen) versehen,
und die Selbstinduktionsspule oder -spulen sind zur Erregung eines axialen oder
angenähert axialen Blasfeldes bzw. Blasfelder in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden
angeordnet, so daß die Lichtbogenentladung unter stetiger Verstellung .der Abstützpunkte
des Lichtbogens infolge der elektrodvnamischen Blaswirkung längs des Umfangs der
Zwischenwände erfolgt. Die isolierenden Zwischenwände können beliebig, so z. B.
in Form von Rohrsegmenten, gestaltet sein. Die Selbstinduktionsspule bzw. -spulen
können auch im Zuge der Leitung, und zwar vor oder nach oder zu beiden Seiten der
Anschlüsse der Elektroden an die Leitung angeordnet sein. Die Anzahl der parallel
angeordneten Elektroden, von denen einige oder die alle geschlitzt sein können,
wird zweckmäßig derart bestimmt, .daß die Vorrichtung vor der Lichtbogenbildung
als Schutzkondensator gegen Überspannungswellen mit steiler Stirn wirkt, wobei die
Wirkung durch die vorgeschalteten Selbstinduktionsspulen unterstützt wird, die auch
das Löschen des Entladelichtbogens erleichtern.
Die isolierenden
Zwischenwände, die durch metallische Brückenkurzgeschlossen sein können, sind mit
den Elektroden auf einem isolierenden Träger angeordnet, welcher entsprechend ausgebildet
ist, um die Streuung zwischen den Elektroden zu erschweren, und erhalten eine Haube,
welJie elektrische Entladungen zwischen den Elektroden hintanhält.
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Zwischen Leiter und Erle kann in an sich bekannter Weise parallel
zur Selbstinduktionsspule bzw. -spulen ein Ohmscher Widerstand geschaltet sein.
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Überspannungsableiter, bei denen Elektroden entgegengesetzter Polarität
konzentrisch angeordnet sind, sind an sich bereits bekannt. Es ist auch bekannt,
bei Überspannungsableitern den Lichtbogen unter der Einwirkung des magnetischen
Feldes' einer Selbstinduktionsspule in Bewegung zu versetzen. Hierbei handelt .es
sich aber nicht um rohrförmige, einander umgebendeElektroden, sondern vielmehr um
Ableiter nach Art der Hörnerblitzableiter. Dadurch, daß gemäß der Erfindung rohrförmige
Elektroden mit Selbstinduktionsspulen zusammenwirken, die ein Blasfeld in ihnen
erzeugen, wird der Lichtbogen sehr weit und rasch gestreckt und jede Beschädigung,
ja selbst Abnutzung der Elektroden vermieden.
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Einige der möglichen Ausführungsformen und Schaltungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen: Fig. r und 2 eine Ausführungsform
der Vorrichtung im Längsschnitt und im Querschnitt, Fig. 3 einen vom Lichtbogen
in einem Zeitpunkt beschriebenen Weg, Fig. a, bis 8 Schaltungen der Selbstinduktionsspule
bzw. -spulen bei dieser Vorrichtung, Fig. g eine Ausbildungsform der Isolierwand
im Querschnitt und Fig. 1o eine andere Ausbildungsform derselben, ebenfalls im Querschnitt.
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Die Kondensatorelektroden (Fig. r, 2) haben die Form von einander
umgebenden Rohren deren Zahl und Abmessungen derart bestimmt werden, .daß eine entsprechende
elektrostatische Kapazität gesichert wird. Diese Rohre werden -wechselweise direkt
oder unter Zwischenschaltung von Widerständen an Leitung und Erde angeschlossen.
Zwischen den Elektroden sind Isolierrohre b angeordnet, die mit je einer oder mehreren
Öffnungen c beliebiger Form versehen sind. Diese Öffnungen, auf die das Bilden des
Lichtbogens beschränkt ist, sind zweckmäßig, nicht notwendigerweise, in der Mitte
der Höhe gelegen. Zur Vermeidung des. Überspringens an den Rohrenden oder zwischen
einem Rohrende und irgendeinem Punkt der Oberfläche des benachbarten, durch eine
Isolierwand geschiedenen Elektrodenrohreskönnen die Elektrodenrohre und die rohrförmigen
Zwischenwände auf einem isolierenden, mit Nuten zur Aufnahme der Rohrenden versehenen
Träger angeordnet sein und als Aufsatz eine gleichfalls mit Nuten versehene Haube
erhalten. Diese Anordnung bietet auch den Vorteil, daß sich eine geschlossene Vorrichtung
ergibt, die von allen . atmosphärischen Einflüssen praktisch unabhängig ist. Zur
Vergrößerung der Lichtbogenüberschlagstrecke zwischen den betreffenden Rohrrändern
können Träger und Haube Vorsprünge erhalten, die in die Zwischenräume zwischen den
Armaturen hineinragen und etwa die Form von dünnen Wänden aufweisen.
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Konzentrisch zu den Rohren ist innen oder, was zweckmäßiger ist, außen
eine Selbstinduktionsspule d angeordnet, welche das Blasfeld erzeugt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Bildet sich infolge einer Überspannung
ein Lichtbogen zwischen den aufeinanderfolgenden Elektroden, so nimmt. er infolge
der Schaltung der Zwischenwäde aus Isolierixiaterial die in Fig. 3 angedeutete Form
ein, das heißt, er springt zwischen denPunkten m, n in Form einer Schleife o über,
wird also hierbei sehr verlängert. Die Verstellung des Lichtbogens in einer zur
Rohrachse senkrechten oder angenähert senkrechten Richtung wird hierbei durch ein
axiales oder ungefähr axiales von der Selbstinduktionsspule erzeugtes Blasfeld gesichert.
Infolge der Berührung eines großen Teils des Lichtbogens mit der isolierenden Zwischenwand
b wird der Lichtbogen kräftig gekühlt und verlischt unmittelbar nach Entstehen.
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Zur Vermeidung von dämpfenden Kreisströmen können die Elelztrodenrohre
mit Längsschlitzen v ersehn sein. Zweckmäßig wird aber das innere Rohrvoll belassen,
um die Anzahl der magnetischen, sein Inneres durchströmenden Kraftlinien zum Verschwinden
zu bringen oder zu vermindern und so die Feldstärke in dem nützlichen Raum zu erhöhen.
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Die Selbstinduktionsspule kann auch nichtgleichachsig mit den Elektrodenrohren
angeordnet und gegebenenfalls durch einen magnetischen Kern mit oder ohne Polschuhe
ausgerüstet sein. Stets muß sie aber so ausgebildet sein, daß zwischen den Elektroden
ein Feld entsprechender Stärke und Richtung erzeugt Wird. Die Polschuhe können beispielsweise
.die Form von Scheiben erhalten, die oberhalb der Aufsatzhaube und unterhalb des
Rohrträgers angeordnet werden und in dem Raum zwischen den Elektroden ein im wesentlichen
axiales Feld erzeugen. Der Querschnitt der Elektrodenrohre a kann z. B.
kreisförmig,
oval, quadratisch, rechteckig oder vieleckig usw. sein.
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In vielen Fällen wird die Anordnung einer einzigen Selbstinduktionsspule
(Fig. d.) auf einer Seite des Kondensatörblitzableiters fein einwandfreies Arbeiten
des letzteren als Kondensator nicht sichern, entweder infolge der Anordnungsweise
der Selbstinduktionsspule in bezug auf den Kondensator oder infolge der Entfernung
zwischen dem Schutzapparat und dem zu schützenden Apparat oder aus anderen Gründen.
In solchen Fällen rüstet man die Vorrichtung mit zwei Selbstinduktionsspulen e,
e' (Fig. 5) aus, die beispielsweise außen die letzte Elektrode umfassen und an diese
von ihrer Verbindungsstelle aus angeschlossen sind.
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Die Elektroden gleicher Polarität werden untereinander leitend verbunden
oder voneinander isoliert und sind entweder gemäß Fig. 4. und 5 oder unter Zwischenschaltung
von Widerständen einesteils an das Netz und andernteils an Erde angeschlossen.
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Bei der beschriebenen Vorrichtung reißt der Lichtbogen um so rascher
ab, je kräftiger das Blasfeld ist. Nun ist es aber tiei Leitungen, in denen die
Verbrauchsstromstärke einen großen Wert besitzt, unmöglich, Selbstinduktionsspulen
mit großer Windungszahl ohne eine oft unzulässige Erhöhung der Kosten der Vorrichtung
herzustellen. Überdies ist bei einem unmittelbar an die Klemmen eines Transformators
oder einer Maschine angeschlossenen Kondensatorblitzableiter nur eine Selbstinduktionsspule
zur Sicherung der Höchstwirkung der Vorrichtung als Kondensator erforderlich, während
zur Sicherung des Abreißens des Lichtbogens in jedem Falle zwei Selbstinduktionsspulen
nötig sind.
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Zweckmäßig wird in diesem Falle zu einer besonderen Spule Zuflucht
genommen, die vom gesamten Verbrauchsstrom nicht durchflossen wird und allein oder
in Verbindung mit in die Leitung eingeschalteten Spulen ein Blasfeld erzeugt. Diese
besondere Spule kann im Nebenschluß zur Leitung, d. h. in Serie mit dem Entladungsraum,
angeordnet sein.
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Der Übelstand einer derartigen Anordnung der Selbstinduktionsspule
besteht darin, daß sie den Durchgang einer Wanderwelle mit steiler Stirn und im
allgemeinen einer Überspannung hoher Frequenz durch die Vorrichtung behindert. Um
diesem Übelstand vorzubeugen, wird die Nebenspule im Nebenschluß zu einem Widerstand
geschaltet, dessen Wert in bezug auf die natürliche Impedanz der Selbstinduktionsspule
verhältnismäßig gering ist. Man verwendet zu diesem Zwecke einen Teil oder den ge3amten,
in Serie mit der Luftfunkenstrecke des Blitzableiters geschalteten Entladewiderstand
(Fig. 6, 7 und 8). In Fig. 6 liegt die Selbstinduktionsspule d im Nebenschluß zum
gesamten Widerstand r, in Fig. 7 liegt sie in Serie mit einem zusätzlichen Widerstands
und zusammen mit letzterem im Nebenschluß zum gesamten Entladewiderstand r; schließlich
in Fig. 8 liegt die Selbstinduktionsspule d im Nebenschluß zu einem Teil r' des
Entladewiderstandes r.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: bei Hochfrequenzentladungen
und bei Wellen mit steiler Stirn ist die Wirkung der einen nur geringen Widerstand
besitzenden Selbstinduktionsspule bedeutungslos. Bei Niederfrequenzentladungen kann
diese Spule zur Geltung kommen ohne in irgendwelcher Weise die Schutzwirkung der
Vorrichtung zu beeinträchtigen. Diese Spule wird aber beinahe von dem gesamten Verbrauchsstrom
durchflossen (ihr Widerstand ist beträchtlich kleiner als jener des Nebenschlußwiderstandes),
so daß die Blaswirkung so lange vorhanden ist, als der Entladelichtbogen besteht.
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Die Anordnung dieser Selbstinduktionsspule in der Vorrichtung ist
stets so, daß sie in dem Entladungsraum ein magnetisches Feld erzeugt, das zur Veränderung
des Lichtbogenfußpunktes genügt.
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An der beschriebenen Vorrichtung sind mannigfache Abänderungen möglich.
So können beispielsweise statt der isolierenden Zwischenrohre nur Segmente verwendet
werden, die gegebenenfalls gelocht sind, wenn die Abmessungen der Isolierrohre infolge
hoher Werte der elektrostatischen Kapazitäten sowie der Netzspannungen Ausführungsschwierigkeiten
begegnen.
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Soll bei Überspannungsschutzvorrichtungen, die für eine Anlage mit
relativ niedriger Spannung bestimmt sind, die Ansprechspannung möglichst verringert
und damit der Luftzwischenraum zwischen zwei Elektroden verkleinert werden, so kann
in die Isolierwand b ein Metallring g (Fig. 9) eingesetzt werden. Gegebenenfalls
kann dieser Ring an einer Elektrode anliegen (Fig. ro), so daß nur ein Entladungsraum
vorhanden ist.
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Die Erfindung gestattet auch den Bau einfacher Blitzableiter zum Schutz
des Leitungsnetzes gegen Überspannungen großer Amplitude. Da hierbei eine große
elektrostatische Kapazität nicht von Belang ist, so genügen zwei kleine Rohrelektroden
und eine einzige Selbstinduktionsspule, die, da in diesem Falle die in die Strecke
eingeschaltete Selbstinduktionsspule die Schutzwirkung der Vorrichtung nicht merklich
beeinflußt und daher fortfallen kann, im Nebenschluß zum ganzen in Serie mit dem
Entladungsraum geschalteten Widerstand oder einem Teil desselben entsprechend der
Fig.6, 7 oder 8 geschaltet wird.